CN110988870B - 一种毫米波成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种毫米波成像系统，包括发射天线单元、基于伦伯透镜的接收天线单元、信号接收单元、控制及处理单元四个单元。发射天线单元为微带直线阵列天线，基于伦伯透镜的接收天线单元由伦伯透镜、接收天线模块以及接收焦曲面三部分组成，信号接收单元由级联的AWR1243芯片、组合的HMC‑SDD112型号电子切换开关两部分组成，控制及处理单元采用了DSP芯片。DSP芯片通过对电子切换开关控制，从而接收指定位置的天线信息，结合某部分位置的天线信息可以实现某一部分的成像功能，最后对所有位置综合实现成像功能。

Description

一种毫米波成像系统
技术领域
本发明包括天线技术及成像领域，涉及一种工作在77GHz～81GHz频段的毫米波成像系统。
背景技术
毫米波是波长为1～10mm的电磁波，工作频率为30～300GHz。毫米波位于微波与远红外波相交叠的波长范围，与其他波段的电磁波相比有很多优点如：波束窄，方向性好，有极高的空间分辨力，跟踪精度高；多普勒效应明显，多普勒分辨力良好；有极宽的带宽；与激光相比，毫米波的传播受气候的影响要小得多，几乎具有全天候特性等。另外，伦伯透镜具有高增益、低剖面、可多馈元多波束等特点。本发明将工作在77GHz～81GHz频段的毫米波天线与伦伯透镜结合起来，克服了接收信号不足的缺点，可以在固定好的某一位置不通过移动接收成像目标的多方位雷达回波信号，也提高了成像的准确性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现一个应用毫米波对目标进行成像的系统，选择毫米波波段进行发送和接收，再通过伦伯透镜以及电子切换开关和微处理器进行处理，最终实现毫米波成像的功能。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：分别设计发射天线单元、设计基于伦伯透镜的接收天线单元、设计信号接收单元、设计控制及处理单元四个单元，四个单元配合工作从而实现毫米波成像的功能。
所述的发射天线单元为两列式微带直线阵列天线，矩形贴片的长为1.5mm、宽为0.97mm，馈线长度为1.18mm，馈线宽度为0.1mm，介质采用RO4350B，介质厚度为0.1016mm。所设计的发射天线中心频率为78.5GHz，经过仿真可得S参数在77GHz到81GHz范围内小于-10dB，天线的增益是10.4dB，每个天线的波束角为120°，可以满足接收成像的数据内容，天线接AWR1243芯片发射端。
所述的基于伦伯透镜的接收天线单元由伦伯透镜、接收天线模块以及接收焦曲面三部分组成，该部分的功能主要实现对回波信息的初步接收。
所述的伦伯透镜分层结构为10层，伦伯透镜的直径为1m，通过伦伯透镜对回波信息进行汇聚处理，把入射的平面波汇聚到球体的焦点位置。因为伦伯透镜具有球对称性，可以在球体表面放置多个馈源，从而实现快速扫描，接收大量成像数据。伦伯透镜采用多层结构，利用多层不同介电常数的介质球层实现能量的聚焦。
所述的天线接收模块，天线设计为与发射天线形式相同的的一列式天线，矩形贴片的长为1.5mm、宽为0.97mm，馈线长度为1.18mm，馈线宽度为0.1mm，介质为RO4350B，介质厚度h＝0.1016mm。
所述天线接收模块设计为每个模块上4个一列式接收天线，采用天线加介质基片加参考地的方式。天线的数量设计为256个，即为256/4＝64个天线接收模块，将其均匀分布在焦曲面之上。天线接收模块的尺寸包含地平面的大小为长21mm，宽3mm。模块的中心为圆形穿孔区域，将天线接到焦曲面罩的另外一侧，方便背侧电路的连接以及信号的传递。
所述的接收焦曲面，设计为高为25cm的球冠面，焦曲面材质选用玻璃钢材质，可以起到耐腐蚀的功能。在焦曲面之上以模块的形式均匀分布需要的接收天线模块，将天线接收模块嵌入在焦平面介质之中，在接收模块的背面打孔用来向后进行信号传输。焦平面板的厚度设计5mm，每个凹槽的为边长为21mm，厚度为2mm正方形凹槽，可将天线接收模块放置其中。
所述的信号接收单元，包含级联芯片信号接收部分以及电子切换开关两部分，该部分功能实现将天线接收的信息进行初步处理，方便最后的系统成像。
所述的信号接收由AWR1243芯片完成。每一个接收模块的背面有一块AWR1243芯片，该芯片完成天线信号的接收。每一个AWR1243可以接收天线接收模块的4个天线的信息。另外选用的AWR1243芯片具有级联功能，将所有的AWR1243芯片进行级联，可以将所有的天线接收模块进行同步，确保接收天线接收到数据的时间在一个基准，方便进行分析。
所述的电子切换开关选用型号HMC-SDD112电子切换开关进行设计。每个电子开关的切换的方式采用分时切换的方式，从而保证使用分时复用的方式对接收天线的信息进行采集。单个电子开关实现的是一选二的功能，通过多个电子开关组合的方式可以实现对多路选择的功能，本发明利用电子切换开关实现对264根接收天线进行分模块控制。
所述的控制及处理结构，在AWR1243接收到数据后，采用CSI2将接收到的信息传送至DSP处理芯片。每4片AWR1243芯片的工作情况相同，采用同样的SPI接口进行控制即可。通过对电子切换开关的控制，可以接收到指定位置的天线信息，结合多个不同的位置以及多个不同的位置的天线信息可以实现局部的成像功能，再将各部分的成像结果进行综合，实现最终的成像功能。
本发明的有益效果附图说明
(1)本发明通过设计基于伦伯透镜的接收天线单元，可以多角度、全方位地采集大量用于成像数据，为最终成像提供很好的数据基础。(2)本发明中的接收天线模块排布与AWR1243芯片的使用，可以实现很好的数据同步，确保接收数据的实时性。(3)本发明通过设计电子切换开关，以及使用电子切换开关与微处理器结合，可以选择指定方位进行数据采集，增加成像的便捷性与准确性。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1是系统的总体框图。
图2是本发明发射天线设计图形。
图3是本发明发射天线S参数仿真结果。
图4是本发明发射天线增益仿真结果。
图5是本发明伦伯透镜分层结构。
图6是本发明天线接收模块示意图。
图7是本发明接收焦曲面设计外形图。
图8是本发明接收焦曲面切分模块示意图。
图9是本发明电子切换开关电路。
图10是本发明工作过程示意图。
具体实施方式
本发明内容，一种毫米波成像系统，主要由发射天线单元、基于伦伯透镜的接收天线单元、信号接收单元、控制及处理单元四个单元组成。系统的总体框图如图1所示。图1中发射天线单元发射毫米波信号，发射天线的设计结合了所在频段，对相关尺寸介质进行设计，发射天线单元与控制及处理单元中间有一长为2m的同步信号线，一端位于发射天线相连接的芯片AWR1243上，另外一端位于控制及处理单元DSP芯片上，用来进行发射信号和接收信号的同步；基于伦伯透镜的接收天线单元，对目标的回波信息进行接收，其中微带阵列天线参考发射天线单元进行设计，伦伯透镜以及焦曲面结合实际测量内容的需求进行了设计，天线接收模块结合成像的过程进行设计，从而可以实现后方对四路天线信号的接收以及定位处理，图1左下部分虚线框中即为该部分内容使用场景；信号接收单元，一方面使用了AWR1642接收四路天线的信号，另一方面电子切换开关结合定位以及分时复用的需求进行设计，实现对成像数据的采集；控制及处理单元利用微处理器，一方面实现对采集方式的控制，另外一方面根据采集的内容进行处理。信号接收单元、控制及处理单元分布在焦曲面背面，该部分主要为相关电路，其位置如图1所示。
上述具体实施例中，所设计的FMCW毫米波的范围为77G～81G，所以选择了天线中心频率f＝78.5GHz，具体理论计算过程及结果如下描述。
天线的宽度计算公式
把c＝3×108m/s，f＝78.5GHz，εr＝3.66代入计算得到W＝1.252mm。
天线的有效介电常数εe和波导波长λg计算公式
代入可得εe＝3.277，λg＝2.116mm。
天线的辐射缝隙的长度ΔL计算公式
代入得到ΔL＝0.0487mm。
天线的矩形贴片的长度L计算公式
代入可得L＝0.966mm。
天线的参考地的长度LGND和宽度WGND计算公式
LGND≥L+6h和WGND≥W+6h
最终计算得到地板大小尺寸应满足:LGND>1.58mm，WGND>1.86mm。
根据上述计算，结合图2天线的图形进行仿真优化。最终通过优化设计的天线尺寸为矩形贴片的长为1.5mm、宽为0.97mm，馈线长度为1.18mm，馈线宽度为0.1mm。S参数仿真结果如图3所示，仿真可得S参数在77GHz到81GHz范围内小于-10dB，天线的增益仿真如图4所示，天线的增益是10.4dB。
上述实用例中的伦伯透镜的分层结构如图5所示，伦伯透镜一共10层，先计算出每一层的相对介电常数，再结合公式即可得出相应的归一化半径。
计算优化因子M表达式：
M＝(ε2-ε1)/(2N+1)
带入叠层结构N＝10，最内层理论介电常数ε2＝2，最外层理论介电常数ε1＝1，即可确定M＝1/21。
最优化的介电常数表达式：
ε*＝ε2-(2i-1)M
带入层数信息i，即可得出各层的介电常数值由内层到外层依次为：1.95、1.86、1.76、1.67、1.57、1.48、1.38、1.29、1.19、1.10。
计算得出的各层的介电常数与配合介电常数理论公式来计算外层球的归一化半径，公式为：
εi＝ε*-M
εi＝2-ri 2
带入前面的参数，可得各层的外层球归一化半径由内到外依次为：0.31、0.44、0.53、0.617、0.69、0.76、0.82、0.873、0.93、0.98。对应到设计的伦伯透镜中即为相应参数，单位为米。
上述实用例中天线接收模块，如图6所示为天线接收模块的天线设计以及模型，天下接收模块设计为两两对称排布的形式，这样的结构既为了合理的利用焦平面上的空间，以及能接收充分的回波数据，同时使用的时候采用分时复用的形式，防止各个天线支之间的干扰。为了区分四根不同位置的天线，每个天线接收模块从12点钟方向顺时针标为a、b、c、d，在后期控制和处理时可以根据不同的标号选择合适的天线。
上述具体实施例中接收焦曲面，每一个天线接收模块上的天线数为4个，焦曲面板需要使用64个天线均匀排布在焦平面板之上，每个天线接收模块的中心点到相邻模块中心点的直线距离为11cm。焦曲面板的设计为1/3球型设计，图7为接收焦曲面设计外形图，其中球冠面的高为25cm，焦曲面的安装角度及位置如图7所示，在垂直方向上，最外层半径与垂直方向呈30度，焦曲面距离伦伯透镜的距离为5mm。天线模块的设计为平面式设计，因此固定的方式是在焦曲面板上设计出可以容纳接收天线模块的槽将接收天线模块固定在其中。设计的接收焦曲面切分模块示意图如图8所示，按照1/4圆切分为1、2、3、4一共4个分区，方便后面的处理。
上述具体实施例中电子切换开关，所有电子切换开关需要四个档位即可实现对所有天线的使用。将所有的a、b、c、d组分别作为一个电子开关上的档位进行切换，切换的方式采用分时切换的方式从而保证使用分时复用的方式对接收天线的信息进行采集。电子切换开关选用型号为HMC-SDD112电子切换开关进行设计。单个电子开关实现的是一选二的功能，该整体设计需要的是可以实现对264根接收天线进行分模块控制，该部分最终设计的电路框图如图9所示。
上述具体实施例中控制及处理单元，对于接收天线的使用依赖设计的天线结构来完成。接收的方法采用分时复用的方法来进行区分，对于图7中的4个分区操作，4个分区1、2、3、4依次来进行接收天线的馈电，从而接收不同时刻的位置信息，这样方便在分时复用以及对相同方向的天线来接收，同时又可以尽量避免不同天线直接的干扰。在每一个分区之中又分成了a、b、c、d四个方向的天线来进行使用，此处也使用分时复用的方式进行控制。在每一个方向之中由四片AWR1243进行控制，因为电子开关只能在一个时刻对一个方向中的一片AWR1243进行接收，此处也是使用分时复用来进行使用。这个工作过程用框图表示如图10所示。
上述具体实施例中控制及处理单元，在使用控制天线的过程中，因为有电子切换开关结构，可以清楚的知道每一个天线的位置，从而也可得出某一方位的成像信息，将不同位置接收到的目标信息进行汇总，再利用数字信号处理的方法根据不同天线接收的目标信息中的角度、方位信息进行汇总可以实现成像的效果。

Claims (2)

1.一种毫米波成像系统，其特征在于设计了基于伦伯透镜的接收天线单元，该单元由伦伯透镜加焦曲面的方式构成，焦曲面内嵌天线接收模块，另外设计了信号接收单元，其中包含电子切换开关和级联AWR1243芯片，该信号接收单元配合基于伦伯透镜的接收天线单元工作，再由DSP处理，最终实现成像功能，天线接收模块设计为包含4个一列式微带直线阵列天线，天线接收模块均匀分布在焦曲面之上，每个模块上的天线设计为两两对称排布的形式，模块为长为21mm的交叉十字型，设计的电子切换开关对64个模块共264个天线进行分模块控制，电子切换开关将焦平面的4个部分分开，每一个焦平面的子模块中又细分为4个天线方向，通过分时复用的方法可以将各不同方位天线中的信号进行接收。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波成像系统，其特征在于伦伯透镜由外包焦曲面内嵌天线接收模块组成，焦曲面选用玻璃钢材质，厚度设计为5mm,每个凹槽的为边长为21mm，厚度为2mm正方形凹槽，将天线接收模块放置其中,一共使用64个天线接收模块。
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